La plastica biodegradabile è stata pubblicizzata come una soluzione al problema dell'inquinamento da plastica che tormenta il mondo, ma i sacchetti di plastica "compostabili" di oggi, gli utensili e i coperchi delle tazze non si rompono durante il tipico compostaggio e contaminano altre plastiche riciclabili, creando grattacapi ai riciclatori. La maggior parte delle plastiche compostabili, costituito principalmente dal poliestere noto come acido polilattico, o PLA, finiscono in discarica e durano per sempre plastica.

Università della California, Berkeley, gli scienziati hanno ora inventato un modo per rendere più facile la decomposizione di queste plastiche compostabili, con solo calore e acqua, entro poche settimane, risolvere un problema che ha sconcertato l'industria delle materie plastiche e gli ambientalisti.

"Le persone sono ora pronte a passare ai polimeri biodegradabili per le plastiche monouso, ma se si scopre che crea più problemi di quanti ne valga la pena, allora la politica potrebbe tornare indietro, " disse Ting Xu, Professore di scienza e ingegneria dei materiali e di chimica alla UC Berkeley. "Stiamo sostanzialmente dicendo che siamo sulla strada giusta. Possiamo risolvere questo problema continuo della plastica monouso che non è biodegradabile".

Xu è l'autore senior di un articolo che descrive il processo che apparirà nel numero del 21 aprile della rivista Natura .

La nuova tecnologia dovrebbe teoricamente essere applicabile ad altri tipi di plastica poliestere, magari permettendo la realizzazione di contenitori in plastica compostabili, che attualmente sono realizzati in polietilene, un tipo di poliolefina che non si degrada. Xu pensa che le plastiche poliolefiniche si trasformino al meglio in prodotti di maggior valore, non compostare, e sta lavorando a modi per trasformare la plastica poliolefinica riciclata per il riutilizzo.

Il nuovo processo prevede l'incorporamento di enzimi che mangiano il poliestere nella plastica man mano che viene prodotta. Questi enzimi sono protetti da un semplice involucro polimerico che impedisce all'enzima di districarsi e diventare inutile. Quando esposto al calore e all'acqua, l'enzima si scrolla di dosso il suo velo polimerico e inizia a masticare il polimero plastico nei suoi blocchi costitutivi, nel caso del PLA, riducendolo ad acido lattico, che può nutrire i microbi del suolo nel compost. Anche l'involucro polimerico si degrada.

Il processo elimina le microplastiche, un sottoprodotto di molti processi di degradazione chimica e un inquinante a sé stante. Fino al 98% della plastica prodotta con la tecnica di Xu si degrada in piccole molecole.

Uno dei coautori dello studio, l'ex studente di dottorato dell'UC Berkeley Aaron Hall, ha creato un'azienda per sviluppare ulteriormente queste plastiche biodegradabili.

Fare in modo che la plastica si autodistrugga

Le materie plastiche sono progettate per non rompersi durante il normale utilizzo, ma ciò significa anche che non si rompono dopo essere stati scartati. Le plastiche più resistenti hanno una struttura molecolare quasi cristallina, con fibre polimeriche allineate così strettamente che l'acqua non può penetrarle, per non parlare dei microbi che potrebbero masticare i polimeri, che sono molecole organiche.

L'idea di Xu era di incorporare enzimi che mangiano polimeri su scala nanometrica direttamente in una plastica o altro materiale in modo da sequestrarli e proteggerli fino a quando le giuste condizioni non li liberano. Nel 2018, ha mostrato come funziona in pratica. Lei e il suo team dell'Università di Berkeley hanno incorporato in una stuoia di fibre un enzima che degrada sostanze chimiche organofosfati tossiche, come quelli degli insetticidi e degli agenti di guerra chimica. Quando il tappetino è stato immerso nella sostanza chimica, l'enzima incorporato ha demolito l'organofosfato.

La sua innovazione chiave era un modo per proteggere l'enzima dal crollo, che le proteine ​​in genere fanno al di fuori del loro ambiente normale, come una cellula vivente. Ha progettato molecole che ha chiamato eteropolimeri casuali, o RHP, che avvolgono l'enzima e lo tengono insieme delicatamente senza limitarne la naturale flessibilità. Gli RHP sono composti da quattro tipi di subunità monomeriche, ciascuno con proprietà chimiche progettate per interagire con gruppi chimici sulla superficie dell'enzima specifico. Si degradano alla luce ultravioletta e sono presenti a una concentrazione inferiore all'1% del peso della plastica, abbastanza bassa da non essere un problema.

Per la ricerca riportata nel Natura carta, Xu e il suo team hanno usato una tecnica simile, avvolgendo l'enzima in RHP e incorporando miliardi di queste nanoparticelle in perline di resina plastica che sono il punto di partenza per tutta la produzione di plastica. Paragona questo processo all'incorporamento di pigmenti nella plastica per colorarli. I ricercatori hanno dimostrato che gli enzimi avvolti da RHP non hanno cambiato il carattere della plastica, che potrebbe essere fuso ed estruso in fibre come la normale plastica di poliestere a temperature di circa 170 gradi Celsius, o 338 gradi Fahrenheit.

Per innescare il degrado, bastava aggiungere acqua e un po' di calore. A temperatura ambiente, L'80% delle fibre di PLA modificate si è completamente degradato in circa una settimana. La degradazione era più rapida a temperature più elevate. In condizioni di compostaggio industriale, il PLA modificato si è degradato entro sei giorni a 50 gradi Celsius (122 F). Un'altra plastica poliestere, PCL (policaprolattone), degradato in due giorni in condizioni di compostaggio industriale a 40 gradi Celsius (104 F). Per PLA, ha incorporato un enzima chiamato proteinasi K che mastica il PLA in molecole di acido lattico; per PCL, ha usato la lipasi. Entrambi sono enzimi economici e facilmente disponibili.

"Se hai l'enzima solo sulla superficie della plastica, si inciderebbe molto lentamente, " Xu ha detto. "Vuoi che sia distribuito nanoscopicamente ovunque in modo che, essenzialmente, ognuno di loro ha solo bisogno di divorare i loro vicini polimerici, e poi l'intero materiale si disintegra."

La rapida degradazione funziona bene con il compostaggio municipale, che in genere impiega dai 60 ai 90 giorni per trasformare i rifiuti alimentari e vegetali in compost utilizzabile. Il compostaggio industriale ad alte temperature richiede meno tempo, ma anche i poliesteri modificati si decompongono più velocemente a queste temperature.

Xu sospetta che le temperature più alte facciano muovere di più l'enzima avvolto, permettendogli di trovare più rapidamente la fine di una catena polimerica e masticarla per poi passare alla catena successiva. Gli enzimi avvolti da RHP tendono anche a legarsi vicino alle estremità delle catene polimeriche, mantenendo gli enzimi vicino ai loro obiettivi.

I poliesteri modificati non si degradano a temperature più basse o durante brevi periodi di umidità, lei disse. Una camicia in poliestere realizzata con questo processo resiste al sudore e ai lavaggi a temperature moderate, Per esempio. L'immersione in acqua per tre mesi a temperatura ambiente non ha causato il degrado della plastica.

L'immersione in acqua tiepida porta al degrado, come lei e il suo team hanno dimostrato.

"Si scopre che il compostaggio non è sufficiente:le persone vogliono compostare in casa senza sporcarsi le mani, vogliono compostare in acqua, " ha detto. "Quindi, questo è quello che abbiamo cercato di vedere. Abbiamo usato acqua calda del rubinetto. Basta scaldarlo alla giusta temperatura, poi mettilo dentro, e vediamo che in pochi giorni scompare."

Xu sta sviluppando enzimi avvolti da RHP che possono degradare altri tipi di plastica in poliestere, ma sta anche modificando gli RHP in modo che il degrado possa essere programmato per fermarsi in un punto specificato e non distruggere completamente il materiale. Questo potrebbe essere utile se la plastica dovesse essere rifusa e trasformata in nuova plastica.

Il progetto è in parte sostenuto dall'Ufficio Ricerche dell'Esercito del Dipartimento della Difesa, un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti.

"Questi risultati forniscono una base per la progettazione razionale di materiali polimerici che potrebbero degradarsi in tempi relativamente brevi, che potrebbero fornire vantaggi significativi per la logistica dell'esercito relativa alla gestione dei rifiuti, "ha detto Stephanie McElhinny, dottorato di ricerca, responsabile del programma presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito. "Più in generale, questi risultati forniscono informazioni sulle strategie per l'incorporazione di biomolecole attive in materiali allo stato solido, che potrebbe avere implicazioni per una varietà di future capacità dell'esercito, compreso il rilevamento, materiali di decontaminazione e autoguarigione”.

Xu ha detto che il degrado programmato potrebbe essere la chiave per riciclare molti oggetti. Immaginare, lei disse, utilizzando colla biodegradabile per assemblare circuiti di computer o addirittura interi telefoni o dispositivi elettronici, poi, quando hai finito con loro, sciogliendo la colla in modo che i dispositivi si sfaldino e tutti i pezzi possano essere riutilizzati.

"È positivo che i millennial pensino a questo e inizino una conversazione che cambierà il modo in cui ci interfacciamo con la Terra, " disse Xu. "Guarda tutta la roba sprecata che buttiamo via:vestiti, scarpe, elettronica come cellulari e computer. Stiamo prendendo le cose dalla terra a un ritmo più veloce di quanto possiamo restituirle. Non tornare sulla Terra per estrarre questi materiali, ma mio qualunque cosa tu abbia, e poi convertirlo in qualcos'altro."